量子密钥分发（QKD）最早于20世纪80年代提出，它提供了一种比传统方法更安全的传输信息的方式。在典型的QKD方案中，发送方（Alice）将经典信息编码成量子态。该信息通过量子信道发送给接收方（Bob）。由于量子力学的不可克隆定理，这种量子态信息无法被复制。这使得该信道对窃听者（Eve）具有很强的鲁棒性，因为窃听者无法在不惊动Alice和Bob的情况下获取或复制已传输的信息。因此，QKD可以安全地传输敏感信息，避免被截获。
目前已有许多成熟的量子密钥分发（QKD）协议和方法。近年来，连续变量量子密钥分发（CV-QKD）因其与现有电信基础设施的兼容性而备受关注，例如使用光纤、连续波激光器和相干接收器[1]。这与其他在单光子水平上运行的方法形成鲜明对比，后者通常将信息编码在单个光子的偏振态中。在CV-QKD中，信息被编码在相干光信号的正交分量中，并在接收端进行解调。
为了协助实施他们的 CV-QKD 方案，研究人员在 汉堡大学 用过的 Moku:Pro是 Liquid Instruments 公司基于 FPGA 的设备，提供一套可重构的测试和测量仪器，用于快速、灵活的信号处理和分析。利用 PID 控制器, 锁相放大器和 激光锁频/稳频器该团队能够稳定本振的相位，从而大幅提升系统的噪声性能。他们的研究成果是： 最近出版 in 光学量子 [2]。
面临挑战
在他们的设置中，汉堡队使用了所谓的 压缩真空态 在1550 nm通信波长下，通过用775 nm激光束泵浦ppKTP晶体制备了压缩态。这些压缩态提高了一个正交分量的信噪比，但代价是增加了另一个正交分量的噪声。如图1所示，压缩态噪声低于激光器的散粒噪声，而反压缩态噪声则更高。通过将信息编码到压缩态正交分量的相位调制中，可以获得更好的噪声性能。然而，与传统通信技术一样，这需要在接收端使用本振（LO）参考信号来解码相位信息。
在此设置中，本振信号通过独立的并行通道从信号源发送到接收器（见图 2）。由于信号传输距离超过 1 公里，温度变化和振动等环境因素会使信号和本振信号都发生畸变，从而引入相位波动。如图 1 所示，压缩噪声功率在传输后显著升高，几乎恢复到散粒噪声的水平。研究团队采用了一种平衡零差检测器方案，该方案可以消除信号和本振信号之间的相关噪声，这是检测压缩态时的一种标准技术。为了抵消新增噪声，他们在接收端添加了一个主动反馈机制，该机制需要一系列级联的 PID 控制器来持续调整和补偿本振信号的相位。
解决方案
罗曼·施纳贝尔教授课题组的研究生索菲·维克拉斯最初尝试使用模拟PID控制器实现图2所示的主动反馈回路。然而，模拟PID控制器无法满足实验要求，也未能改善噪声性能。
在借用并测试了 Moku:Pro 之后，她决定将其应用到自己的设备中。Moku 的 多仪器并行模式 这使得她不仅可以替换模拟PID控制器，还可以同时部署锁相放大器和激光锁相盒。通过光纤电光调制器（EOM）缓慢调制本振信号，即可利用锁相放大器检测并提取误差信号。级联的PID控制器使控制回路能够在多个数量级的频率范围内工作，每个控制器都为不同的组件提供反馈信号。通过精确控制光纤电光调制器、压电镜和移相器，她可以补偿从千赫兹到亚赫兹范围的相位波动。
Sophie 使用 Moku 应用手动调整 PID 控制器，根据每个控制器的特定频率范围调整其参数。这确保了她的系统能够有效抵抗测量序列中长距离传输引入的噪声。
结果
在已发表的研究结果中，该团队通过在1公里长的光纤上传输压缩真空态来测试他们的系统，信号在校园内的两栋不同建筑物之间传输。在没有锁定方案的情况下，噪声测量结果（图1）显示接收端信号严重衰减，但添加相位补偿后，噪声性能显著改善。由Moku:Pro控制和协调的锁定装置能够补偿整个信号带宽（超过1GHz）上的相位噪声。宽带宽至关重要，因为它允许在实现CV-QKD协议时实现高密钥速率。他们的研究结果表明，使用压缩态的CV-QKD协议可以有效地在几公里短距离量子信道上传输编码密钥信息。
研究结果公布后，该团队开始探索 Moku:Pro 的更多用途，例如使用…… 波形发生器 他们还开始使用仪器来产生调制信号。他们也开始使用 Moku Compile 他们生成了自定义的HDL模块，并使用Custom Instrument部署了这些模块。最终，Custom Instrument模块取代了自制的包络检测器，并添加了一个延迟发生器。Sophie预测，她的团队将在实验室中继续发现Moku的更多用途。
案例
[1] 张 et al. 连续变量量子密钥分发系统：过去、现在和未来。 应用物理评论 11 011318（2024）. https://doi.org/10.1063/5.0179566
[2] S. Verclas et al. 在两栋建筑物之间通过光纤传输相位稳定的GHz带宽压缩真空态光。 光学量子 4，1-6（2026）。 https://doi.org/10.1364/OPTICAQ.567418